CN111403504B - 一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法 - Google Patents
一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111403504B CN111403504B CN202010207286.6A CN202010207286A CN111403504B CN 111403504 B CN111403504 B CN 111403504B CN 202010207286 A CN202010207286 A CN 202010207286A CN 111403504 B CN111403504 B CN 111403504B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- detector
- array type
- target surface
- multistage semiconductor
- cold plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 6
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/024—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置，涉及光电成像探测器真空制冷封装领域，解决现有探测器制冷装置结构复杂，体积较大，进而影响探测器的制冷效果等问题，包括大靶面探测器、冷板、阵列多级半导体制冷器和热沉；所述大靶面探测器与冷板之间采用高导热的环氧树脂胶粘接，所述阵列多级半导体制冷器冷端与冷板之间、阵列多级半导体制冷器热端与热沉之间均采用低温焊料焊接。本发明的阵列式多级半导体制冷为热电制冷方式，无噪声、无振动、不使用制冷剂，多级半导体可以实现探测器成像大温差的需求，阵列式半导体可以实现探测器发热量大的需求，本发明能够很好的应用在当前大靶面(像素6K×6K)CMOS探测器中。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像探测器真空制冷封装领域，具体涉及一种6K大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法。
背景技术
为了抑制探测器暗电流噪声对成像的影响，需要对探测器进行制冷，常用的制冷方法有半导体制冷、斯特林制冷、脉管制冷等，半导体制冷利用热电效应的工作原理进行制冷，这种制冷无噪声、无振动、不需制冷剂，体积小、重量轻，且工作可靠，操作简便，易于进行制冷量调节，成为目前探测器制冷的主要手段。斯特林制冷是电力驱动的机械式制冷机，其工作原理是气体以绝热膨胀做功，即按逆向斯特林循环工作实现制冷。斯特林制冷器的体积较大，且存在一定的震动，常用做液氮制备等深度制冷，对探测器成像存在一定的影响；脉管制冷是利用高压气体被绝热抽空而达到制冷的目的，在充气时，由于压缩而在脉管中形成温度梯度，封闭端的温度最高，压缩热被冷却水带走。这样在脉管中高压气体被抽空时，在管的出口端形成低温制冷区，这种制冷方式结构复杂，体积较大，不适用于成像探测器的制冷。
随着半导体工艺技术的成熟和天文观测应用的需求不断发展，探测器的尺寸越来越大，由最初几毫米的成像区域逐渐发展到现在几十毫米的成像区域，这对探测器的制冷提出了新的挑战。首先是探测器发热量变大，半导体制冷系数较小，制冷量的增加对单个半导体制冷的压力巨大；其次是探测器尺寸的变大，半导体制冷模块使用的是陶瓷材料，使用单个更大尺寸的半导体制冷模块会增大半导体模块与真空杜瓦金属腔体之间的热膨胀系数的不匹配，导致模块的损坏或者传热链路断开，影响探测器的制冷效果。
发明内容
本发明为解决现有探测器制冷装置结构复杂，体积较大，进而影响探测器的制冷效果等问题，提供一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置。
一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置，包括大靶面探测器、冷板、阵列多级半导体制冷器和热沉；
所述大靶面探测器与冷板之间采用高导热的环氧树脂胶粘接，所述阵列多级半导体制冷器冷端与冷板之间、阵列多级半导体制冷器热端与热沉之间均采用低温焊料焊接。
本发明的有益效果：本发明解决了大靶面探测器半导体制冷的需求，大靶面探测器指的是像素6K×6K的探测器，使用多级半导体制冷阵列式排布同时满足探测器大制冷量和大温差的制冷需求，半导体热端与热沉之间、半导体热端与冷板之间使用低温焊料焊接的方式连接，冷板与探测器之间使用高导热的环氧树脂粘接，这种连接方式可以大大的降低热阻，及时地导出半导体制冷器产生的热量，位置制冷器两端的温差，提高了半导体制冷的效率。
本发明使用阵列式多级半导体的大靶面(像素6K×6K)探测器制冷方式，多级半导体的小体积可以使其以单元器件直接贴在探测器后端，实现紧凑式设计；多级半导体可以实现大温差制冷，满足探测器抑制暗电流噪声的需求；阵列式的半导体制冷可以实现更大制冷量的需求。本发明阵列式多级半导体制冷的方法能够较好的满足大靶面(像素6K×6K)探测器的制冷需求。
本发明的阵列式多级半导体制冷为热电制冷方式，无噪声、无振动、不使用制冷剂，多级半导体可以实现探测器成像大温差的需求，阵列式半导体可以实现探测器发热量大的需求，本发明能够很好的应用在当前大靶面(像素6K×6K)CMOS探测器中。
附图说明
图1为本发明所述的一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置的主视图；
图2为图1的爆炸图。
图中，1、大靶面探测器；2、冷板；3、阵列式多级半导体制冷器；4、热沉。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种大靶面(像素6K×6K)探测器阵列式多级半导体制冷装置，包括大靶面(像素6K×6K)探测器1、冷板2、阵列多级半导体制冷器3和热沉4组成，采用2×2阵列的多级半导体制冷器对大靶面(像素6K×6K)探测器进行制冷，半导体制冷器之间使用串联、并联或者串并联的组合方式，阵列半导体制冷器热端与热沉之间、阵列半导体冷端与冷板之间使用低温焊料焊接，低温焊料指熔点<200℃的焊料，熔融的低温焊料冷却后可以在焊缝处形成金相组织，使半导体制冷器与冷板和热沉之间形成无隙的低热阻金属连接，大大的降低了热阻，提高了半导体的制冷效率；探测器不仅对制冷温度有要求，还对制冷温度的均匀性(±0.1℃)有要求。本实施方式中，在阵列半导体冷端与探测器制冷面之间设置了冷板，避免不同半导体冷端直接对探测器进行制冷形成较大的温差，冷板材料与探测器基底材料相同(都是氮化铝(ALN))，避免材料热膨胀系数差异引起的形状变化，冷板可以把阵列半导体冷端的温度均匀后再对探测器进行制冷，有效提高温度均匀性。探测器不能承受高温的烘烤，所以冷板与探测器制冷面之间使用高导热的环氧树脂胶粘接。
Claims (3)
1.一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置，其特征是：包括大靶面探测器(1)、冷板(2)、阵列式多级半导体制冷器(3)和热沉(4)；
所述大靶面探测器(1)与冷板(2)之间采用高导热的环氧树脂胶粘接，所述阵列式多级半导体制冷器(3)冷端与冷板(2)之间、阵列式多级半导体制冷器(3)热端与热沉(4)之间均采用低温焊料焊接；所述低温焊料指熔点<200℃的焊料；
熔融的低温焊料冷却后，在焊缝处形成金相组织，使阵列式多级半导体制冷器(3)与冷板(2)和热沉(4)之间形成无隙的金属连接。
2.根据权利要求1所述的一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置，其特征在于：所述冷板(2)的材料与大靶面探测器(1)基底材料相同，均为氮化铝。
3.根据权利要求1所述的一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷装置，其特征在于：采用2x2阵列的多级半导体制冷器对大靶面探测器进行制冷，半导体制冷器之间采用串联、并联或者串并联的组合方式实现。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010207286.6A CN111403504B (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010207286.6A CN111403504B (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111403504A CN111403504A (zh) | 2020-07-10 |
| CN111403504B true CN111403504B (zh) | 2023-06-02 |
Family
ID=71432845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010207286.6A Active CN111403504B (zh) | 2020-03-23 | 2020-03-23 | 一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111403504B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112254826A (zh) * | 2020-09-02 | 2021-01-22 | 哈尔滨新光光电科技股份有限公司 | 一种用于抑制探测器温度漂移的红外热像仪温度控制系统 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4990782A (en) * | 1989-06-23 | 1991-02-05 | Santa Barbara Research Center | Radiation shield for thermoelectrically cooled infrared detectors |
| JP4080593B2 (ja) * | 1998-05-11 | 2008-04-23 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光センサ |
| CN101201271B (zh) * | 2007-12-21 | 2010-05-26 | 云南民族大学 | 内调制型铁电非制冷红外焦平面探测器 |
| WO2012037099A2 (en) * | 2010-09-13 | 2012-03-22 | Ferrotec (Usa) Corporation | Thermoelectric modules and assemblies with stress reducing structure |
| CN102760749B (zh) * | 2012-07-13 | 2016-04-13 | 京东方科技集团股份有限公司 | 发光器件及其制作方法 |
| CN103093086A (zh) * | 2013-01-04 | 2013-05-08 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种考虑非均匀衬底温度的二维热电制冷器电学模型 |
| CN103500749B (zh) * | 2013-10-10 | 2016-09-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种热电制冷的超长线列InGaAs探测器封装结构 |
| CN103644676B (zh) * | 2013-12-04 | 2017-01-18 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种emccd相机致冷系统冷屏装置 |
| EP2881995B1 (en) * | 2013-12-09 | 2020-07-15 | Oxford Instruments Technologies Oy | Semiconductor radiation detector with large active area, and method for its manufacture |
| EP3207566A4 (en) * | 2014-10-13 | 2018-08-29 | Bio-rad Laboratories, Inc. | Heated image sensor window |
| CN107275415B (zh) * | 2017-05-27 | 2023-05-05 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 集成多级热电制冷器的焦平面红外探测器组件封装结构 |
| CN107351642A (zh) * | 2017-07-11 | 2017-11-17 | 吉林大学 | 一种采用多级热电制冷器的纯电动汽车空调系统 |
| CN108493271B (zh) * | 2018-03-13 | 2019-12-13 | 东南大学 | 一种用于非制冷型红外探测器的芯片级超微型制冷机 |
| CN109950390A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-06-28 | 武汉利之达科技股份有限公司 | 一种多级热电制冷器及其制备方法 |
-
2020
- 2020-03-23 CN CN202010207286.6A patent/CN111403504B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111403504A (zh) | 2020-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5107683A (en) | Multistage pulse tube cooler | |
| US3421331A (en) | Refrigeration apparatus | |
| CN101561196B (zh) | 一种基于斯特林制冷机的大功率脉管制冷机 | |
| CN111403504B (zh) | 一种大靶面探测器阵列式多级半导体制冷方法 | |
| CN114151989B (zh) | 一种超导磁体 | |
| CN204966961U (zh) | 一种高效紧凑的激光器散热装置 | |
| CN1125294C (zh) | 分置式气体驱动斯特林－脉冲管耦合制冷机 | |
| JP2609327B2 (ja) | 冷凍機 | |
| CH518505A (fr) | Machine cryogénique à plusieurs étages | |
| CN206094628U (zh) | 一种由传输管连接压缩装置与回热器的低温制冷机 | |
| Trollier et al. | Remote helium cooling loops for laboratory applications | |
| CN107036320B (zh) | 冷压缩式脉管制冷机及预冷式制冷机系统 | |
| CN100557339C (zh) | 一种多屏真空多层绝热的单级脉管制冷机 | |
| US7305835B2 (en) | Pulse tube cooling by circulation of buffer gas | |
| CN100533002C (zh) | 一种单屏真空多层绝热的单级脉管制冷机 | |
| Emery et al. | Co-Axial pulse tube for oxygen liquifaction | |
| US7047750B2 (en) | Pulse tube refrigerating machine | |
| Tian et al. | Research on an integrated infrared detector supporting structure | |
| CN212566480U (zh) | 一种低温冷水的制冷装置 | |
| Von Schneidemesser et al. | Performance of a single-stage 4 K pulse tube cooler with neodymium regenerator precooled with a single-stage GM refrigerator | |
| CN201637218U (zh) | 一种基于脉管制冷机的面向对象冷却装置 | |
| Wang et al. | The experimental investigation of a pulse tube refrigerator with a ‘L’type pulse tube and two orifice valves | |
| Poncet et al. | Low temperature high frequency pulse tube cooler using precooling | |
| JP2698477B2 (ja) | 極低温冷凍機 | |
| Shinde et al. | A Review Paper on Pulse Tube Refrigerator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220609 Address after: 130000 block B, incubation base, No. 19, Yingkou Road, Changchun Economic and Technological Development Zone, Jilin Province Applicant after: Changchun Changguang aorun Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: 130033, 3888 southeast Lake Road, Jilin, Changchun Applicant before: CHANGCHUN INSTITUTE OF OPTICS, FINE MECHANICS AND PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |